JP2007314833A - Hydrogen-producing apparatus and hydrogen-producing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高温水蒸気電解により水素を製造する水素製造装置及びその方法に関する。 The present invention relates to a hydrogen production apparatus and method for producing hydrogen by high-temperature steam electrolysis.
未来社会の1つのビジョンとして水素をエネルギー媒体とした水素エネルギー社会の実現が注目されており、いくつかの有力な水素製造方法が考えられている。いくつかの水素製造方法のうち、高温水蒸気電解法は900℃程度の高温で水蒸気を電気分解する方法で、室温での水の電気分解よりも30%程度少ない電力で同じ水素製造量が得られる、エネルギー効率の高い水素製造法である。原料が水なので、二酸化炭素を生じない熱源を用いれば、全く二酸化炭素を排出せずに水素製造が可能となる。 As one vision of the future society, the realization of a hydrogen energy society using hydrogen as an energy medium is attracting attention, and several promising hydrogen production methods are considered. Among several hydrogen production methods, the high-temperature steam electrolysis method is a method of electrolyzing water vapor at a high temperature of about 900 ° C., and the same hydrogen production amount can be obtained with about 30% less electric power than water electrolysis at room temperature. It is a hydrogen production method with high energy efficiency. Since the raw material is water, if a heat source that does not generate carbon dioxide is used, hydrogen can be produced without exhausting any carbon dioxide.
上記高温水蒸気電解による水素製造装置は、最小単位のセルを多数本配置して構成される。このセルは、基本的には、電解質層を真中にして、この電解質層の両面に酸素極(陽極)と水素極(陰極)を配した三層構造から構成される。 The hydrogen production apparatus using the high-temperature steam electrolysis is configured by arranging a plurality of minimum unit cells. This cell basically has a three-layer structure in which an electrolyte layer is in the middle and an oxygen electrode (anode) and a hydrogen electrode (cathode) are arranged on both sides of the electrolyte layer.
この水素極において、導入された水蒸気は、電子が与えられて酸素イオンと水素に分解される。この分解された酸素イオンは、上記電解質層を透過し、酸素極において電子を放出して酸素が生成される。高温での使用に耐えるよう、電解質層、酸素極、水素極はセラミックスで作製されている。 In the hydrogen electrode, the introduced water vapor is decomposed into oxygen ions and hydrogen by giving electrons. The decomposed oxygen ions pass through the electrolyte layer and emit electrons at the oxygen electrode to generate oxygen. The electrolyte layer, oxygen electrode, and hydrogen electrode are made of ceramics to withstand use at high temperatures.
上記セルの形状にはいろいろあるが、ここでは一例として、上記三層構造を同心円筒状に配した円筒型セルについて説明する。水素製造量を大きくするためには、この円筒型セルを多数本固定したセルユニットが必要となる。 Although there are various shapes of the cell, here, as an example, a cylindrical cell in which the three-layer structure is arranged in a concentric cylinder shape will be described. In order to increase the amount of hydrogen produced, a cell unit in which many cylindrical cells are fixed is necessary.
この円筒型セル(セラミックス)を容器(金属)内で固定する箇所には、金属部品とセラミックスの接続部が存在する。この部分には、金属部品とセラミックス部品の接続機能の他に、水素と酸素を隔離する機能、酸素極(陽極)と水素極(陰極)とを絶縁する機能が要求される。この接合材として、ガラスを用いて金属部品とセラミックス部品とを接続する技術が知られている(例えば、特許文献1及び2参照)。
上述した従来の高温水蒸気電解による水素製造において、円筒型セルを容器内で固定する箇所に、金属部品(容器)とセラミックス(セル)との接続部分が介在する。この接続部分には、高温水蒸気電解に耐えられるようにガラスが用いられる。 In the above-described conventional hydrogen production by high-temperature steam electrolysis, a connecting portion between a metal part (container) and ceramics (cell) is interposed at a location where the cylindrical cell is fixed in the container. Glass is used for this connecting portion so as to withstand high temperature steam electrolysis.
この接続部分は、製作性の要求により突合せ接合が行われることがある。この突合せ接合のときは、この接合部の強度が弱く振動等により破損したりすることがある。また、真直な接合が困難であるために、セルが傾き、水蒸気導入管と接触してセルが破損する恐れがある、という課題があった。 This connecting portion may be butt-joined depending on manufacturability requirements. In this butt joint, the strength of the joint is weak and may be damaged by vibration or the like. In addition, since straight joining is difficult, there is a problem that the cell is inclined and may come into contact with the water vapor introduction pipe to break the cell.
また、円筒型セルにおいては、水素極を内面に酸素極を外面に配置した構造のときに、セルの内側に水蒸気導入管が設置される。このセル内部に挿入される水蒸気導入管の外径とセルの内径の間のギャップが小さい。このために、水蒸気導入管を支持板へ溶接で据え付けるときに、支持板が変形して水蒸気導入管が傾き、セルと水蒸気導入管が干渉し、破損する恐れがある、という課題があった。 Further, in the cylindrical cell, when the structure is such that the hydrogen electrode is disposed on the inner surface and the oxygen electrode is disposed on the outer surface, the water vapor introducing pipe is installed inside the cell. The gap between the outer diameter of the water vapor introducing pipe inserted into the cell and the inner diameter of the cell is small. For this reason, when the water vapor introduction pipe is installed on the support plate by welding, the support plate is deformed, the water vapor introduction pipe is inclined, and the cell and the water vapor introduction pipe interfere with each other and may be damaged.
また、セルの真直度が低ければ、セルの先端で水蒸気導入管とセルが接触し、セルが破損する恐れがある。さらに、上記セルはセラミックスで作製されているので、セルの真円度がでにくいため、機械加工された金属支持体の接合部には構造不連続部が生じ易く、薄肉部に応力集中が生じ、破損する恐れがある、という課題があった。 Further, if the straightness of the cell is low, the water vapor introducing tube and the cell may come into contact with each other at the tip of the cell, and the cell may be damaged. Furthermore, since the cells are made of ceramics, the roundness of the cells is difficult to achieve, so structural discontinuities tend to occur at the joints of the machined metal support, and stress concentration occurs at the thin-walled portions. There was a problem that there was a risk of breakage.
さらに、接合部が破損すると、水素と酸素のバウンダリが破壊され、水素製造量が低下し、さらには水素製造ができない状態に陥る、という課題があった。 Furthermore, when the joint portion is broken, the boundary between hydrogen and oxygen is destroyed, the amount of hydrogen production decreases, and further, there is a problem that hydrogen production cannot be performed.
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、水素雰囲気と酸素雰囲気との間のバウンダリを高温に耐えられる構成にして、継続的に高温水蒸気電解反応をさせることができる水素製造装置及びその方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems. A hydrogen production apparatus capable of continuously performing a high-temperature steam electrolysis reaction with a boundary between a hydrogen atmosphere and an oxygen atmosphere configured to withstand high temperatures and An object is to provide such a method.
上記目的を達成するため、本発明の水素製造装置においては、一端を閉じ円筒状の内側を形成する水素極と、この水素極の外側に設けられた円筒状の酸素極と、この水素極と酸素極との間に設けられ電子絶縁性及び酸素イオン導電性を持つ電解質層とを含み、セラミックスから作製された円筒型電気化学セルと、この円筒型電気化学セルの内部に設置され水蒸気を導入する水蒸気導入管と、この円筒型電気化学セルを収納するユニット容器と、このユニット容器内に固定され前記円筒型電気化学セルを支持するセル支持板と、このセル支持板と前記円筒型電気化学セルとの間に設けられ電気的に絶縁しかつ製造された水素をシールする絶縁シール手段と、このユニット容器内に固定され前記水蒸気導入管を支持する水蒸気導入管支持板と、前記円筒型電気化学セルの内側表面の水素極を陰極にするように設けられた水素極給電部と、前記円筒型電気化学セルの外側表面の酸素極を陽極にするように設けられた酸素極給電部と、を有することを特徴とするものである。 In order to achieve the above object, in the hydrogen production apparatus of the present invention, a hydrogen electrode which is closed at one end to form a cylindrical inner side, a cylindrical oxygen electrode provided outside the hydrogen electrode, and the hydrogen electrode A cylindrical electrochemical cell made of ceramics, including an electrolyte layer with electronic insulation and oxygen ion conductivity provided between the oxygen electrode and water vapor introduced inside this cylindrical electrochemical cell A water vapor introducing tube, a unit container for housing the cylindrical electrochemical cell, a cell support plate fixed in the unit container and supporting the cylindrical electrochemical cell, the cell supporting plate and the cylindrical electrochemical cell An insulating sealing means provided between the cell and electrically insulating and sealing the produced hydrogen; a water vapor introducing pipe support plate fixed in the unit container and supporting the water vapor introducing pipe; A hydrogen electrode power supply unit provided so that the hydrogen electrode on the inner surface of the cylindrical electrochemical cell serves as a cathode, and an oxygen electrode power supply provided so that the oxygen electrode on the outer surface of the cylindrical electrochemical cell serves as an anode And a portion.
また、上記目的を達成するため、本発明の水素製造方法においては、一端を閉じ円筒状の内側を形成する水素極と、この水素極の外側に設けられた円筒状の酸素極と、この水素極と酸素極との間に設けられ電子絶縁性及び酸素イオン導電性を持つ電解質層とを含み、セラミックスから円筒型電気化学セルを作製する円筒型電気化学セル作製ステップと、ユニット容器内に固定され前記円筒型電気化学セルの内部に水蒸気導入管を介して水蒸気を導入する水蒸気導入ステップと、この円筒型電気化学セルの内側表面の水素極を陰極にする水素極給電ステップと、前記円筒型電気化学セルの外側表面の酸素極を陽極にする酸素極給電ステップと、前記円筒型電気化学セルを介して水素を生成する水素生成ステップと、前記ユニット容器内に固定されたセル支持板と前記円筒型電気化学セルとの間を電気的に絶縁しかつ製造された水素をシールする絶縁シールステップと、を有することを特徴とするものである。 In order to achieve the above object, in the hydrogen production method of the present invention, one end is closed and a cylindrical inner electrode is formed, a cylindrical oxygen electrode provided outside the hydrogen electrode, and the hydrogen electrode A cylindrical electrochemical cell production step for producing a cylindrical electrochemical cell from ceramics, including an electrolyte layer provided between an electrode and an oxygen electrode and having an electronic insulating property and an oxygen ion conductivity; and fixed in a unit container A water vapor introduction step for introducing water vapor into the inside of the cylindrical electrochemical cell via a water vapor introduction pipe, a hydrogen electrode power feeding step in which the hydrogen electrode on the inner surface of the cylindrical electrochemical cell is used as a cathode, and the cylindrical shape An oxygen electrode feeding step in which the oxygen electrode on the outer surface of the electrochemical cell is used as an anode, a hydrogen generation step in which hydrogen is generated through the cylindrical electrochemical cell, and fixed in the unit container. An insulating sealing step of sealing the electrically insulating and produced hydrogen and cell support plate between said cylindrical electrochemical cell was, is characterized in that it has a.
本発明の水素製造装置及びその方法によれば、セラミックス製の円筒型電気化学セルの絶縁材としてアルミナ等の強度の高い無機材料を使用し、さらにこの無機材料と容器内の支持板とを拡散接合により接続することにより、水素雰囲気と酸素雰囲気との間に高温に耐えられるバウンダリを形成することができる。かくして、電気的絶縁性が保持され、機械的強度も優れた気密性を有する絶縁シールが形成され、継続的に高温水蒸気電解反応をさせることができる。 According to the hydrogen production apparatus and method of the present invention, a high-strength inorganic material such as alumina is used as an insulating material for a ceramic cylindrical electrochemical cell, and the inorganic material and the support plate in the container are diffused. By connecting by bonding, a boundary that can withstand high temperatures can be formed between a hydrogen atmosphere and an oxygen atmosphere. Thus, an insulating seal having airtightness with excellent electrical insulation and mechanical strength is formed, and a high temperature steam electrolysis reaction can be continuously performed.
以下、本発明に係る水素製造装置及びその方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。ここで、同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of a hydrogen production apparatus and method according to the present invention will be described with reference to the drawings. Here, the same or similar parts are denoted by common reference numerals, and redundant description is omitted.
図1は、本発明の第1の実施の形態の高温水蒸気電解ユニットの構成を示す概略縦断面図で有り、図2は、図1の円筒型電気化学セル1の固定方法を示す縦断面図であり、図3は、図1の円筒型電気化学セル1の他の固定方法を示す縦断面図である。 FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view showing a configuration of a high-temperature steam electrolysis unit according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing a fixing method of the cylindrical electrochemical cell 1 of FIG. FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing another fixing method of the cylindrical electrochemical cell 1 of FIG.
図1に示すように、水素製造装置である高温水蒸気電解ユニットは、複数(ここでは3個)のセラミックス製の円筒型電気化学セル1がユニット容器2内に設置されている。 As shown in FIG. 1, a high-temperature steam electrolysis unit that is a hydrogen production apparatus has a plurality of (here, three) cylindrical ceramic cells 1 made of ceramics installed in a unit container 2.
この円筒型電気化学セル1は、一端を閉じ円筒状の内側を形成する水素極9を有する。この水素極2の内側に、必要に応じて、基体となる管として基体管8を設ける。また、一端を閉じ円筒状の内側を形成する水素極9の円筒管の頂部を、上向きに配置し、又は下向きに配置することもある。ここでは、水素極9の円筒管の頂部は、上向きに配置されている。 This cylindrical electrochemical cell 1 has a hydrogen electrode 9 that closes one end and forms a cylindrical inner side. A base tube 8 is provided inside the hydrogen electrode 2 as a base tube as necessary. Moreover, the top part of the cylindrical tube of the hydrogen electrode 9 that closes one end and forms a cylindrical inner side may be disposed upward or downward. Here, the top of the cylindrical tube of the hydrogen electrode 9 is disposed upward.
この水素極9の外側には、円筒状の酸素極11が配置されている。この水素極9と酸素極11との間には、電子絶縁性及び酸素イオン導電性を持つ電解質層10が設けられている。
A
この円筒型電気化学セル1の内部には、水蒸気を導入する水蒸気導入管6が設けられている。この水蒸気導入管6は、上記ユニット容器2内の水蒸気供給部3を構成している水蒸気導入管支持板16に固定されている。水蒸気供給部3内の水蒸気は、この水蒸気導入管6を介して円筒型電気化学セル1の内部に導入される。
Inside the cylindrical electrochemical cell 1, a water
この導入された水蒸気は、上記水素極9において、電子が与えられて酸素イオンと水素に分解される。この分解された酸素イオンは、上記電解質層10を透過し、酸素極11において電子を放して酸素が生成される。
The introduced water vapor is decomposed into oxygen ions and hydrogen by giving electrons at the hydrogen electrode 9. The decomposed oxygen ions pass through the electrolyte layer 10 and release electrons at the
この生成された水素は、ユニット容器2内の生成水素出口部4に排出され、生成された酸素は、ユニット容器2内の生成酸素出口部5に排出される。この生成水素出口部4と生成酸素出口部5とは、セル支持板15で隔離されている。このセル支持板15には、一端を閉じた円筒の円筒型電気化学セル1の開放端部が固定されている。
The generated hydrogen is discharged to the generated
また、上記円筒型電気化学セル1の内側表面の水素極9を陰極にするように水素極給電部12が設けられている。さらに、上記円筒型電気化学セル1の外側表面の酸素極4を陽極にするように酸素極給電部13が設置されている。
Further, a hydrogen electrode
上記ユニット容器2は、外気とこのユニット容器2内の水蒸気、酸素及び水素を隔離することができ、またこのユニット容器2内の圧力を維持することができる。 The unit container 2 can isolate the outside air from water vapor, oxygen and hydrogen in the unit container 2 and can maintain the pressure in the unit container 2.
また、上記セル支持板15は、生成された酸素と水素とを隔離することができる。上記水蒸気導入管支持板16には、水蒸気導入管6が固定され支持されている。この水蒸気導入管6を介して、水蒸気は円筒型電気化学セル1の内部に導入される。
Further, the
上述のように、セラミックス製の円筒型電気化学セル1は、水素極9、酸素極11、電解質10より構成されている。この水素極9及び酸素極11には、水素極給電部12及び酸素極給電部13からそれぞれ給電される。この給電により、上記水素極9において、水蒸気は酸素イオンと水素に分解される。この分解した酸素イオンは、上記電解質層10を透過する。この透過した酸素イオンは、上記酸素極11において酸素に酸化される。このように、高温水蒸気電解ユニットは、水蒸気及び電気が供給されて、水素と酸素を製造する機能を有する。
As described above, the ceramic cylindrical electrochemical cell 1 includes the hydrogen electrode 9, the
この高温水蒸気電解ユニットを運転するに際して、特に重要なのものが絶縁シール手段7である。この絶縁シール手段7の機能は、セラミックス製の円筒型電気化学セル1とユニット容器2の間を電気的に絶縁すること、並びに円筒型電気化学セル1の内側に存在する水素とセル外側に存在する酸素とを隔離することにある。この絶縁シール7が十分な健全性を持つことが、高温水蒸気電解ユニットにおいて安定して水素を製造するための条件となる。
When operating this high temperature steam electrolysis unit, the insulating seal means 7 is particularly important. The function of the insulating sealing means 7 is to electrically insulate between the ceramic cylindrical electrochemical cell 1 and the unit container 2, and to exist outside the cell and hydrogen existing inside the cylindrical electrochemical cell 1. It is to isolate the oxygen that does. The
上記円筒型電気化学セル1とユニット容器2との間に介在する電気的に絶縁する絶縁シール手段7の詳細について、図2を用いて説明する。 The details of the electrically insulating insulating sealing means 7 interposed between the cylindrical electrochemical cell 1 and the unit container 2 will be described with reference to FIG.
上記円筒型電気化学セル1は、水素製造装置である高温水蒸気電解ユニットのユニット容器2内に設置されたセル支持板15に固定されて構成されている。このセラミックス製円筒型電気化学セル1の下部には、セル支持板15と円筒型電気化学セル1との間に設けられ電気的に絶縁しかつ製造された水素をシールする絶縁シール手段7が設けられている。この絶縁シール手段7は、電気絶縁性部材である絶縁部品21を有している。この絶縁部品21とセラミックス製円筒型電気化学セル1との間には、水素雰囲気と酸素雰囲気との間に高温に耐えられるバウンダリを形成するシール部材20が介在している。
The cylindrical electrochemical cell 1 is configured to be fixed to a
この絶縁部品21としては、800℃以上の高温でも安定しており電気的絶縁性に優れたセラミックスが一般に使用されている。このセラミックスとして、一例として、アルミナを挙げることができる。
As the insulating
このアルミナ等のセラミックス製の絶縁部品21と金属製のセル支持板15との接続は、中間金属により拡散接合する拡散接合法を用いるとよい。この拡散接合により、セラミックスと金属を接着し、絶縁部品21を強固に固定することができる。なお、上記絶縁部品21を金属製のセル支持板15と同一材料の接続部品23に拡散接合し、その後、絶縁部品21、接続層22、接続部品23を金属製のセル支持板15に接合してもよい。
The connection between the ceramic insulating
この絶縁部品21とセラミックス製の円筒型電気化学セル1との間に、シール部材20を介在させてシール性を向上させている。このシール部材20として、熱膨張を吸収できる中空金属製Oリングやガスケットが用いられる。
A sealing
なお、微小な振動や円筒型電気化学セル1の内外圧差により、セラミックス製の円筒型電気化学セル1が、上方に移動する可能性がある。このときには、図3に示すように、上記円筒型電気化学セル1が上方への移動を抑制するために、ユニット容器2内にセル押さえ板17を設けてもよい。このセル押さえ板17は、セラミックス製の円筒型電気化学セル1を完全に固定するようなものではなく、適度な移動しろ(遊び)を持たせることができ、またガスの流れを阻害しないようなメッシュ状のものが望ましい。
In addition, there is a possibility that the ceramic cylindrical electrochemical cell 1 may move upward due to minute vibrations or an internal / external pressure difference of the cylindrical electrochemical cell 1. At this time, as shown in FIG. 3, a
このように構成された本実施の形態において、セラミックス製の円筒型電気化学セル1の下端に電気的な絶縁材としてアルミナ等の強度の高い無機材料を使用する。また、この絶縁部材21とユニット容器2内のセル支持板15であるメタルリングとも間を中間金属により拡散接合する。この絶縁部品21とセラミックス製円筒型電気化学セル1との間に、高温に耐えられるバウンダリを形成するシール部材20を設けて、水素雰囲気と酸素雰囲気との間に高温に耐えられるバウンダリを形成している。
In the present embodiment configured as described above, a high-strength inorganic material such as alumina is used as an electrical insulating material at the lower end of the ceramic cylindrical electrochemical cell 1. Further, the insulating
本実施の形態によれば、セラミックス製の円筒型電気化学セルの絶縁材としてアルミナ等の強度の高い無機材料を使用し、さらにこの絶縁部材と容器のメタルリングとの間を中間金属により拡散接合することにより、水素雰囲気と酸素雰囲気との間に高温に耐えられるバウンダリを形成することができる。かくして、電気的絶縁性が保持され、機械的強度を保ちながら気密性を維持できる絶縁シールが形成され、継続的に高温水蒸気電解反応をさせることができる。 According to the present embodiment, a strong inorganic material such as alumina is used as an insulating material for a ceramic cylindrical electrochemical cell, and further, diffusion bonding is performed between the insulating member and the metal ring of the container by an intermediate metal. By doing so, a boundary that can withstand high temperatures can be formed between the hydrogen atmosphere and the oxygen atmosphere. Thus, an electrical insulation is maintained, an insulating seal that can maintain airtightness while maintaining mechanical strength is formed, and a high-temperature steam electrolysis reaction can be continuously performed.
図4は、本発明の第2の実施の形態の高温水蒸気電解ユニットの円筒型電気化学セルの構成を示す縦断面図である。本図は、図1の水蒸気導入管6の下部に水蒸気導入管伸縮吸収部材18を追加して設け、円筒型電気化学セル1の下部に円筒型電気化学セル伸縮吸収部材19を追加して設けたものであり、図1と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。
FIG. 4 is a longitudinal sectional view showing a configuration of a cylindrical electrochemical cell of the high temperature steam electrolysis unit according to the second embodiment of the present invention. In this figure, a water vapor introduction tube expansion /
本図に示すように、上記水蒸気導入管6の下部とユニット容器2内の水蒸気導入管支持板16との間には、この水蒸気導入管6の軸方向の伸縮を吸収するために、ベローズ等を備えた水蒸気導入管伸縮吸収部材18が設けられている。この水蒸気導入管伸縮吸収部材18を設けることにより、この水蒸気導入管6が熱による作用や機械的作用による伸縮や振動を吸収させることができる。
As shown in the figure, a bellows or the like is provided between the lower portion of the water
また、上記円筒型電気化学セル1の下部とユニット容器2内の円筒型電気化学セル支持板15との間には、この円筒型電気化学セル1の軸方向の伸縮を吸収するために、ベローズ等を備えた円筒型電気化学セル伸縮吸収部材19が、円筒型電気化学セル支持板15に設けられている。また、セラミックス製の円筒型電気化学セル1の下端には、絶縁シール手段7である絶縁シール7aを介してソケット形状の接続継手14が接続されている。このソケット形状の接続継手14については後述する。
A bellows is provided between the lower part of the cylindrical electrochemical cell 1 and the cylindrical electrochemical
本実施の形態によれば、上記水蒸気導入管6とユニット容器2内の水蒸気導入管支持板16との間に、水蒸気導入管6の軸方向の伸縮を吸収するベローズ等を備えた水蒸気導入管伸縮吸収部材18を設けることにより、水蒸気導入管6の熱による作用や機械的作用による伸縮や振動を吸収することができる。かくして、水蒸気導入管6の熱による作用や機械的作用による伸縮や振動を吸収することができ、円筒型電気化学セル1やこの接合部の破損の可能性を低く抑制することができる。
According to the present embodiment, the water vapor introducing pipe provided with a bellows or the like that absorbs expansion and contraction in the axial direction of the water
また、上記円筒型電気化学セル1とユニット容器2内の円筒型電気化学セル支持板15との間に、円筒型電気化学セル1の軸方向の伸縮を吸収するベローズ等を備えた円筒型電気化学セル伸縮吸収部材19を設けることにより、円筒型電気化学セル1の熱による作用や機械的作用による伸縮や振動を吸収することができる。このようにして、円筒型電気化学セル1の熱による作用や機械的作用による伸縮や振動を吸収することができ、円筒型電気化学セル1やこの接合部の破損の可能性を低く抑制することができる。かくして、電気的絶縁が保たれ、機械的強度もある絶縁シールが達成され、継続的に高温水蒸気電解反応をさせることができる。
Further, a cylindrical electric cell provided with a bellows or the like for absorbing the expansion and contraction in the axial direction of the cylindrical electrochemical cell 1 between the cylindrical electrochemical cell 1 and the cylindrical electrochemical
図5は、本発明の第3の実施の形態の高温水蒸気電解ユニットの円筒型電気化学セルの構成を示す縦断面図である。本図は、図1の円筒型電気化学セル1の下部に絶縁シール手段7である絶縁シール7aを介してソケット形状の接続継手14を追加して設けたものであり、図1と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。
FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing the configuration of the cylindrical electrochemical cell of the high temperature steam electrolysis unit of the third embodiment of the present invention. In this figure, a socket-shaped connection joint 14 is additionally provided at the lower part of the cylindrical electrochemical cell 1 of FIG. 1 via an insulating
本図に示すように、セラミックス製の円筒型電気化学セル1は、ユニット容器2内のセル支持板15に固定されている。また、水蒸気導入管6が、前記セラミックス製の円筒型電気化学セル1の管内に配置された状態で、このユニット容器2の水蒸気導入管支持板16に固定されている。
As shown in this figure, the ceramic cylindrical electrochemical cell 1 is fixed to a
このセラミックス製の円筒型電気化学セル1の下部は、絶縁シール手段7を構成する絶縁シール7aを介してソケット形状の接続継手14が接続されている。このソケット形状の接続継手14は、上記セル支持板15に固定されている。
A socket-shaped connection joint 14 is connected to the lower part of the ceramic cylindrical electrochemical cell 1 through an insulating
このように構成された本実施の形態において、セラミックス製の円筒型電気化学セル1下端の接合部として、ソケット状の接続継手14を設けることにより、突合せ接合と比較して接合部の強度を強くしている。 In this embodiment configured as described above, by providing a socket-like connection joint 14 as a joint at the lower end of the ceramic cylindrical electrochemical cell 1, the strength of the joint is increased compared to the butt joint. is doing.
また、ソケット形状の接続継手14の材料として、セラミックス製の円筒型電気化学セル1と熱膨張率が近似する材料を用い、セラミックス製の円筒型電気化学セル1とソケット形状の接続継手14の間の絶縁シール7aの材料として、セラミックス製の円筒型電気化学セル1と熱膨張率が非常に近似する材料を用いている。かかる熱膨張率が近似する材料を用いることにより、操業時の温度変化に伴う熱膨張、収縮による破壊を抑制することができる。
Further, as a material of the socket-shaped connection joint 14, a material having a thermal expansion coefficient similar to that of the ceramic cylindrical electrochemical cell 1 is used, and between the ceramic cylindrical electrochemical cell 1 and the socket-shaped connection joint 14. As the material of the insulating
本実施の形態によれば、セラミックス製の円筒型電気化学セル1下端の接合部として、円筒型電気化学セル1の下端と絶縁シール7aとの接続部を包囲しセル支持板15に設けられたソケット形状の接続継手14設けることにより、突合せ接合と比較して接合部の強度を強くすることができる。さらに、ソケット状の接続継手14として熱膨張率が近似する材料を用いることにより、操業時の温度変化に伴う熱膨張、収縮による破壊を抑制することができる。かくして、電気的絶縁性が保たれ、機械的強度を維持しながら気密性を保持できるので、高温水蒸気電解反応を継続的させることができる。
According to the present embodiment, the connection portion between the lower end of the cylindrical electrochemical cell 1 and the insulating
図6は、本発明の第4の実施の形態の高温水蒸気電解ユニットの円筒型電気化学セルの構成を示す縦断面図である。本図は、図5の水蒸気導入管6の下部に水蒸気導入管伸縮吸収部材18を追加して設けたものであり、図1と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。
FIG. 6 is a longitudinal sectional view showing a configuration of a cylindrical electrochemical cell of a high-temperature steam electrolysis unit according to the fourth embodiment of the present invention. This figure is obtained by adding a steam introduction pipe expansion /
本図に示すように、上記水蒸気導入管6の下部とユニット容器2内の水蒸気導入管支持板16との間には、この水蒸気導入管6の軸方向の伸縮を吸収するために、ベローズ等を備えた水蒸気導入管伸縮吸収部材18が設けられている。
As shown in the figure, a bellows or the like is provided between the lower portion of the water
このように構成された本実施の形態において、円筒型電気化学セル1をユニット容器2内で固定するときに、金属部品(容器)とセラミックス(セル)との間の接続部分である絶縁シール7aとして、ガラスが用いられる。このガラスを使用しているので、この部分の強度が弱く振動等により破損し易く、真直な接合が困難である。ここでは、水蒸気導入管6にベローズ等を備えた水蒸気導入管伸縮吸収部材18が設けられている。
In the present embodiment configured as described above, when the cylindrical electrochemical cell 1 is fixed in the unit container 2, the insulating
本実施の形態によれば、この水蒸気導入管伸縮吸収部材18を設けることにより、この水蒸気導入管6が熱による作用や機械的作用による伸縮や振動を吸収することができる。かくして、円筒型電気化学セル1や接合部の破損の可能性を低く抑制することができる。
According to the present embodiment, by providing this water vapor introducing tube expansion /
図7は、本発明の第5の実施の形態の高温水蒸気電解ユニットの円筒型電気化学セル1の構成を示す縦断面図である。本図は、図6の円筒型電気化学セル1の下部に円筒型電気化学セル伸縮吸収部材19を追加して設けたものであり、図6と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。
FIG. 7 is a longitudinal sectional view showing the configuration of the cylindrical electrochemical cell 1 of the high-temperature steam electrolysis unit according to the fifth embodiment of the present invention. In this figure, a cylindrical electrochemical cell expansion /
本図に示すように、上記円筒型電気化学セル1の下部とユニット容器2内の円筒型電気化学セル支持板15との間には、この水蒸気導入管6の軸方向の伸縮を吸収するために、ベローズ等を備えた円筒型電気化学セル伸縮吸収部材19が設けられている。
As shown in the figure, between the lower part of the cylindrical electrochemical cell 1 and the cylindrical electrochemical
このように構成された本実施の形態において、円筒型電気化学セル1をユニット容器2内で固定している。このとき、金属部品(容器)とセラミックス(セル)との間の接続部分である絶縁シール7aは、ガラスが用いられる。このガラスを使用しているので、この部分の強度が弱く振動等により破損し易く、真直な接合が困難である。ここでは、ベローズ等を備えた円筒型電気化学セル伸縮吸収部材19が設けられている。
In the present embodiment configured as described above, the cylindrical electrochemical cell 1 is fixed in the unit container 2. At this time, glass is used for the insulating
本実施の形態によれば、この円筒型電気化学セル伸縮吸収部材19を設けることにより、この円筒型電気化学セル1が熱による作用や機械的作用による伸縮や振動を吸収することができる。かくして、円筒型電気化学セル1や接合部の破損の可能性を低く抑制することができる。
According to the present embodiment, by providing the cylindrical electrochemical cell expansion /
さらに、本発明は、上述したような各実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の各実施例を組み合わせて、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。 Furthermore, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention by combining the embodiments of the present invention. it can.
1…円筒型電気化学セル、2…ユニット容器、3…水蒸気供給部、4…生成水素出口部、5…生成酸素出口部、6…水蒸気導入管、7…絶縁シール手段、7a…絶縁シール、8…基体管、9…水素極、10…電解質層、11…酸素極、12…水素極給電部、13…酸素極給電部、14…接続継手、15…セル支持板、16…水蒸気導入管支持板、17…セル押さえ板、18…ベローズ(水蒸気導入管伸縮吸収部材)、19…ベローズ(円筒型電気化学セル伸縮吸収部材)、20…ガスケット(シール部材)、21…絶縁性部材、22…接続層、23…接続部品。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Cylindrical electrochemical cell, 2 ... Unit container, 3 ... Steam supply part, 4 ... Product hydrogen outlet part, 5 ... Product oxygen outlet part, 6 ... Steam inlet pipe, 7 ... Insulation seal means, 7a ... Insulation seal, DESCRIPTION OF SYMBOLS 8 ... Base tube, 9 ... Hydrogen electrode, 10 ... Electrolyte layer, 11 ... Oxygen electrode, 12 ... Hydrogen electrode feeding part, 13 ... Oxygen electrode feeding part, 14 ... Connection joint, 15 ... Cell support plate, 16 ... Water vapor introducing pipe Support plate, 17 ... cell pressing plate, 18 ... bellows (water vapor introducing tube expansion / contraction absorption member), 19 ... bellows (cylindrical electrochemical cell expansion / contraction absorption member), 20 ... gasket (sealing member), 21 ... insulating member, 22 ... connection layer, 23 ... connection parts.
Claims (12)
この円筒型電気化学セルの内部に設置され水蒸気を導入する水蒸気導入管と、
この円筒型電気化学セルを収納するユニット容器と、
このユニット容器内に固定され前記円筒型電気化学セルを支持するセル支持板と、
このセル支持板と前記円筒型電気化学セルとの間に設けられ電気的に絶縁しかつ製造された水素をシールする絶縁シール手段と、
このユニット容器内に固定され前記水蒸気導入管を支持する水蒸気導入管支持板と、
前記円筒型電気化学セルの内側表面の水素極を陰極にするように設けられた水素極給電部と、
前記円筒型電気化学セルの外側表面の酸素極を陽極にするように設けられた酸素極給電部と、
を有することを特徴とする水素製造装置。 A hydrogen electrode that closes one end and forms a cylindrical inner side, a cylindrical oxygen electrode provided outside the hydrogen electrode, and an electronic insulating property and oxygen ion conductivity provided between the hydrogen electrode and the oxygen electrode A cylindrical electrochemical cell made of ceramics, including an electrolyte layer having
A water vapor introduction pipe installed inside the cylindrical electrochemical cell to introduce water vapor;
A unit container for storing the cylindrical electrochemical cell;
A cell support plate fixed in the unit container and supporting the cylindrical electrochemical cell;
Insulating sealing means provided between the cell support plate and the cylindrical electrochemical cell for electrically insulating and sealing the produced hydrogen;
A water vapor inlet tube support plate fixed in the unit container and supporting the water vapor inlet tube;
A hydrogen electrode power feeding portion provided so as to make the hydrogen electrode on the inner surface of the cylindrical electrochemical cell a cathode;
An oxygen electrode feeding portion provided so as to make the oxygen electrode on the outer surface of the cylindrical electrochemical cell an anode;
The hydrogen production apparatus characterized by having.
ユニット容器内に固定され前記円筒型電気化学セルの内部に水蒸気導入管を介して水蒸気を導入する水蒸気導入ステップと、
この円筒型電気化学セルの内側表面の水素極を陰極にする水素極給電ステップと、
前記円筒型電気化学セルの外側表面の酸素極を陽極にする酸素極給電ステップと、
前記円筒型電気化学セルを介して水素を生成する水素生成ステップと、
前記ユニット容器内に固定されたセル支持板と前記円筒型電気化学セルとの間を電気的に絶縁しかつ製造された水素をシールする絶縁シールステップと、
を有することを特徴とする水素製造方法。 A hydrogen electrode that closes one end and forms a cylindrical inner side, a cylindrical oxygen electrode provided outside the hydrogen electrode, and an electronic insulating property and oxygen ion conductivity provided between the hydrogen electrode and the oxygen electrode A cylindrical electrochemical cell manufacturing step for manufacturing a cylindrical electrochemical cell from ceramics,
A water vapor introduction step for introducing water vapor into the inside of the cylindrical electrochemical cell, which is fixed in the unit container, via a water vapor introduction pipe;
A hydrogen electrode feeding step in which the cathode on the inner surface of the cylindrical electrochemical cell is used as a cathode;
An oxygen electrode feeding step in which the oxygen electrode on the outer surface of the cylindrical electrochemical cell is used as an anode;
A hydrogen generation step for generating hydrogen via the cylindrical electrochemical cell;
An insulating sealing step for electrically insulating the cell support plate fixed in the unit container and the cylindrical electrochemical cell and sealing the produced hydrogen;
A method for producing hydrogen, comprising:
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2006
- 2006-05-25 JP JP2006145039A patent/JP2007314833A/en not_active Withdrawn
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